Лекция Введение. Общепланетарное значение и функции почв

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

тношение радиуса катиона к радиусу аниона определяет не только его координационное число, а также форму кристаллической решетки и характер элементарной ячейки.

Элементарной ячейкой кремнекислородного соединения является тетраэдр, четыре вершины которого заняты крупными анионами О²⁺ (r = 1,32 А⁰), а в центре находится катион с небольшим радиусом Si⁴⁺ (r = 0,39 А⁰). Данный тетраэдр является основной структурной ячейкой всех существующих соединений кремния с кислородом. Ячейка SiO₄ заряжена отрицательно (на 4 положительных заряда Si приходится 8 отрицательных зарядов кислорода). Отрицательный заряд ячейки может быть компенсирован путем присоединения катионов или соединением с другими кремнекислородными тетраэдрами.

Соединение тетраэдров между собой происходит через вершины, при этом определенные ионы кислорода одновременно связаны с двумя ионами кремния. Оставшиеся свободные валентности кислородных анионов нейтрализуются катионами. Кремнекислородные тетраэдры могут образовывать непрерывные структуры в виде одинарных цепочек, что характерно для пироксенов - энтатита (Mg₂Si₂O₆), гиперстона ((Mg₁Fe)₂Si₂O₆). Двойные цепочки образует группа амфиболов - антофиллит (Mg₁Fe)₇Si₄O₁₁(ОН)₂. Листы, как у слюды,образуются в том случае, когда тетраэдры соединяются друг с другом тремя вершинами и образуют сетку гексагональной (шестиугольной) формы в виде плоского слоя. При этом по каждой стороне имеются ионы кислорода со свободной валентностью, направленной в одну сторону. Каждый слой соединяется с последующим, что придает слюдам пластичность.

В случае, когда кремнекислородные тетраэдры соединяются между собой таким образом, что каждый из четырех кислородных ионов принадлежит двум тетраэдрам, получается структура, не имеющая свободных ионов кислорода. Подобную структуру имеет кварц (SiO₂)_n , который отличается большой прочностью.

Такая же форма трехмерных каркасов характерна и для полевых шпатов, однако в некоторых из тетраэдров Si заменен Al³⁺. В результате такого замещения образуется алюмокислородный комплекс (AlO₄)⁵ˉ. Он несет на единицу больший отрицательный заряд, чем SiO₄, который компенсируется тем или иным катионом. Этим можно объяснить химический состав алюмосиликатов, к которым принадлежат полевые шпаты: альбит Na[Al,Si₃O₈], анортит Ca[Al₂Si₂O₈] и др. В альбите из четырех ионов Si один замещен на Al³⁺, возникший отрицательный заряд компенсирован Na. В анортите из четырех ионов Si⁴⁺ два иона замещены на Al³⁺, два отрицательных заряда компенсируются Ca²⁺.

Минералы, в которых ион Si⁴⁺замещается ионом Fe³⁺, называются феррисиликатами. Изоморфные замещения происходят в кристаллической решетке в период ее образования, качество и количество замещающих ионов зависит от состава и концентрации окружающего раствора.

Вторичные минералы. Как отмечалось раньше, в результате химического выветривания первичные минералы изменяют свой состав и внутреннюю структуру. Выветривание в первую очередь затрагивает поверхность минералов, поэтому с их измельчением возрастает суммарная поверхность, и процессы разрушения ускоряются.

Важнейшим фактором химического выветривания является вода, а также присутствующие в почве кислород и углекислота. Основными типами реакций, происходящими в почве являются: гидратация, гидролиз, растворение, окисление-восстановление.

Гидратация - это притяжение молекул воды к поверхности минералов. Вследствие полярности молекул воды она представляет собой диполь. При измельчении минералов часть зарядов ионов кристаллической решетки высвобождаются, к ним притягиваются молекулы воды тем конусом, который имеет противоположный заряд. Диполи воды стремятся “выдернуть” ионы из кристаллической решетки минерала, вследствие чего происходит ее расшатывание и разрыхление.

Реакции гидролиза приводят к замене катионов кристаллической решетки на Н⁺ - ионы воды. Схематически данная химическая реакция для полевого шпата описывается следующим образом:

Присутствие в минералах Fe²⁺ также способствует выветриванию, так как окисление Fe²⁺ до Fe³⁺ приводит к изменению объемов, занимаемых ионами в кристаллической решетке, что вызывает в конечном итоге ее разрушение.

Наибольшей устойчивостью обладает кварц, на состояние которого большинство описанных реакций заметного влияния не оказывают, однако и он в некоторой степени подвергается гидратации.

При полном разрушении силикатов образуются простые продукты выветривания: гидрата окислов Fe, Al, одно- и двухвалентных оснований, гидрат окиси кремния (кремниевая кислота) и некоторые другие кислоты - угольная, серная, соляная, фосфорная и другие, образующиеся при окислении элементов, содержащихся в горных породах.

Высвободившаяся при выветривании кремниевая кислота при слабокислой реакции частично переходит в состояние геля (SiO₂nH₂O), при слабощелочной - золя. В дальнейшем аморфный кремнегель может терять воду и закристаллизоваться, образуя вторичный кварц. Кроме этого, часть кремниевой кислоты может образовывать с основаниями растворимые в воде соли, которые впоследствии могут быть вымыты. В коллоидном и растворенном состоянии кремниевая кислота может вступать в реакцию с полуторными окислами, образуя при этом сложные соединения. Аморфные соединения, содержащие SiO₂ и R₂O₃ в разных соотношениях называются аллофонами. Теряя воду, гидраты полуторных окислов могут постепенно кристаллизоваться, образуя вторичные минералы: лимонит - 2Fe₂O₃· 3H₂O, гетит - Fe₂O₃· H₂O, гематит - Fe₂O₃, гиббсит - Al₂O₃· 3H₂O, бемит - Al₂O₃· H₂O.

Освобождающиеся при выветривании основания, реагируя с кислотами, образуют простые соли, являющиеся вторичными минералами: карбонаты, сульфаты, нитраты, хлориды, фосфаты, силикаты. В разной степени растворяясь в воде, они могут накапливаться в условиях засушливого климата.

Помимо простых вторичных минералов, при выветривании могут образовываться вторичные алюмосиликаты и феррисиликаты. Эти минералы входят в состав различных глин и поэтому носят название глинных. Являясь частью почв, они определяют очень важные для развития растений почвенные свойства (поглотительная и обменная способность, кислотность, буферность, водоудерживающая способность и др.). Из большого числа глинных минералов, для почв наибольшее значение имеют группы: каолинита, мантмориллонита и гидрослюд.

Минералы группы каолинита имеют двухслойную кристаллическую решетку, которая состоит из двух слоев: слоя кремнекислородных тетраэдров и слоя алюмо-кислородно-гидроксильных октаэдров.

В кремнекислородном слое вершины тетраэдров повернуты в одну сторону и являются “кислородными мостиками”, связывающими тетраэдрический и октаэдрический слои: О^2¯ одновременно связан с атомами Si⁴⁺ и Al³⁺.

В целом, элементарная ячейка каолинита электронейтральна и соответствует формуле Al₄Si₄O₁₀(OH)₈или Al₂Si₂O₅(OH)₄. При разламывании пакетов боковые поверхности кристаллов имеют ненасыщенные валентности, что может вызывать адсорбцию ионов из окружающего раствора. Расстояние между пакетами каолинита равна 7,2 А⁰ и не изменяется. Он не впитывает воду в межпакетные пространства и поэтому не набухает. К этой группе минералов относятся, кроме каолита, галлузит (структурная формула Al₂Si₂O₅(OH₄) · 2Н₂О), метагаллузит (Al₂Si₂O₅(OH)₄· 4Н₂О), диккит и накрит.

Монтмориллонит состоит из трехслойных пакетов: октаэдрический слой заключен между двумя тетраэдрическими. Межпакетные расстояния монтмориллонита изменяются от 9,4 до 21,4 А⁰ и варьируют в зависимости от количества поглощенной воды. Способность монтмориллонита к набуханию значительна. Структура монтмориллонита отвечает химической формуле Al₄Si₈O₂₀(OH)₄· nН₂О. В этой формуле nН₂О - вода, разделяющая пакеты. Кристаллическая решетка электрически нейтральна и содержит по 44 положительных и отрицательных заряда. Минералам группы монтмориллонита характерны разнообразные изоморфные замещения: Si в тетраэдрических слоях может быть частично замещен на Al³⁺, а аллюминий в октаэдрическом слое замещается Fe²⁺ и Fe³⁺, Mg²⁺ и другими металлами. Например, у минерала бейделлита в отличие от монтмориллонита один из четырех ионов Si⁴⁺тетраэдрического слоя замещен Al³⁺, появившийся избыточный отрицательный заряд компенсируется ионом гидроксила (Al₃Si₃O₉(OH)₃· nH₂O. К этой же группе принадлежит минерал нонтронит с формулой Fe₂Si₄O₁₀(OH)₃· nH₂O, где в октаэдрах ион Al³⁺ замещен на Fe³⁺.

Из глинных минералов в почвах большое место принадлежит группе гидрослюд, в которую входят гидромусковит (иллит), гидробиотит и другие гидротизированные слюды. Кристаллическая решетка иллита построена так же, как и у монтмориллонита. Разница состоит в том, что в тетраэдрах часть Si⁴⁺ (до 1/4) защищена Al³⁺. При этом образовавшийся отрицательный электрический заряд компенсируется ионом К⁺, который прочно связывает пакеты между собой. Поэтому межпакетная вода в иллите отсутствует. Гидробиотит образуется из биотита - слюды темного цвета, в которой все октаэдрические места заняты Mg²⁺ и Fe²⁺.

Кроме распространенных индивидуальных глинистых минералов, в природе существуют так называемые смешанно-слоистые минералы, пластинки которых состоят из чередующихся пакетов различных минералов, например, иллита, монтмориллонита и т.д.

Существует так же еще группа вторичных минералов: аллофоны. Они состоят из тетраэдров и октаэдров, но расположены беспорядочно, поэтому вследствие отсутствия кристаллического строения они обладают аморфными свойствами.

Глинистые минералы в природе образуются двумя путями. Первый путь представляет собой постепенное изменение первичных минералов, что приводит к образованию новых форм кристаллических решеток.

Вторичные минералы могут возникать также путем синтеза из простых продуктов распада первичных минералов: полевых шпатов, амфиболов, вулканических стекол и т.д. Образующиеся при распаде вещества вступают между собой в реакции взаимодействия, продукты которых выпадают в осадок.

Известно, что химическое выветривание выражается следующими стадиями: 1) гидратации силиката; 2) окисление закиси железа; 3) постепенного гидролиза - уменьшения содержания щелочей и замене Н⁺; 4) переход Al из четверной комбинации в шестерную; 5) частичный вынос кремнезема.

Образование слюдоподобных минералов из полевых шпатов происходит вследствие выноса части SiO₂, K₂O, CaO. Гидратация способствует замещению некоторого количества ионов К⁺ ионами Н⁺, что приводит к образованию слюд. Этот процесс можно проиллюстрировать на примере превращения монтмориллонита в гиббсит.

При отслоении одного тетраэдрического слоя у монтмориллонита приводит к образованию каолинита, при этом ионы кислорода “кислородных мостиков” замещаются гидроксилами. В дальнейшем при присоединении воды каолинитом из него образуется гиббcит и SiO₂.

Скорость разрушения первичных и механизм образования вторичных минералов зависят от ряда факторов: 1) особенности первичного минерала (кристаллическая структура, степень дисперсности, химический состав и т.д.), 2) сочетание первичных минералов, 3) температуры, 4) влажности, 5) реакции среды, 6) условий выноса продуктов выветривания, 7) жизнедеятельности организмов.

Основные породы разрушаются быстрее кислых и поэтому продукты их выветривания в большей мере обогащены каолинитом. Поэтому более древние почвы, подвергавшиеся процессам выветривания и почвообразования, содержат относительно много минералов группы каолинита, гибсита и гетита, которые являются конечными продуктами выветривания.

Сухой и холодный климат замедляет разрушение минералов, а теплый и влажный - ускоряет. В условиях промывного режима происходит вымывание щелочей, щелочноземельных оснований, кремнезема, и, как следствие, из гидрослюд и монтмориллонита образовывается каолинит и галлузит.

Растения, которые в процессе жизни взаимодействуют с почвой (поглощение воды, элементов питания, кислорода, а так же выделение продуктов жизнедеятельности), вносят существенные изменения в состав и свойства почвенного раствора, реакцию среды, значение окислительно-восстановительного потенциала, что в значительной мере оказывает влияние на условия разрушения и синтеза минералов.

Как отмечалось выше, число первичных минералов в природе невелико, поэтому и количество вторичных минералов не отличается большим разнообразием. Наиболее часто встречающимися минералами являются группы гидрослюд (гидробиотит) и монтмориллонита (монтмориллонит, белделлит, нотронит), далее следуют каолинит, галлузит, вермикулит, гиббсит.

Основная масса рыхлых пород состоит из относительно небольшого числа минералов. Из группы первичных минералов в их состав входят кварц, полевые шпаты, слюды и роговые обманки, из вторичных - слоистые алюмосиликаты, окиси и гидроокиси железа и алюминия.

Так как в различных гранулометрических фракциях преобладают различные минералы, поэтому рыхлые породы, подвергаясь сортировке по фракциям, сортируются также по минералогическому составу. Например, в песках содержатся в основном, первичные минералы (кварц, полевые шпаты), в глинах - вторичные, в суглинках - смесь первичных и вторичных. Минералогический состав илистой фракций (< 0,001мм) резко отличается от состава более крупных фракций. Из первичных минералов в этой фракции встречается главным образом кварц, который из-за химической устойчивости может сохраниться в виде очень мелких частиц, другие минералы этой группы присутствуют в очень малых количествах. В данной фракции сосредотачивается основная масса вторичных алюмосиликатов - монтмориллонит, каолинит, иллитовые минералы, вермикулит. Сохранность полевых шпатов обуславливается главным образом их механической прочностью, которая позволяет им сохраняться в виде относительно крупных частиц. Этим объясняется небольшое содержание полевых шпатов в составе мелких фракций.

Химические элементы, входящие в состав литосферы, содержатся в ней в неодинаковых количествах. При этом состав литосферы значительно отличается от состава почвы (табл.2.4.1)

Таблица 2.4.1. Среднее содержание химических элементов в литосфере и почвах, в весовых % (по Виноградову, 1950)

Элементы	Литосфера	Почва	Элементы	Литосфера	Почва
O	47,2	49,0	C	(0,1)	2,0
Si	27,6	33,0	S	0,09	0,085
Al	8,8	7,13	Mn	0,09	0,085
Fe	5,1	3,8	P	0,08	0,08
Ca	3,6	1,37	N	0,01	0,1
Na	2,64	0,63	Cu	0,01	0,002
K	2,6	1,36	Zn	0,005	0,005
Mg	2,1	0,6	Co	0,003	0,0008
Ti	0,6	0,46	B	0,0003	0,001
H	(0,15)	?	Mo	0,0003	0,0003

Blog

Лекция Введение. Общепланетарное значение и функции почв

Содержание

O

C